Fotovoltaik Sistemler - KTEMB-Kıbrıs Türk Elektrik Müteahhitleri Birliği

Fotovoltaik Sistemler
Hazırlayanlar:
Osman Beyit – Hasan Hoca - Muharrem Uzun
Bu ders notları Avrupa Birliği’nin ‘Schools’ Initiative for Innovation and Change V’
hibe yardımını alan SSEML-Elektrik Bölümü öğretmenleri tarafından hazırlanmıştır.
Bu ders notlarında anlatılanlar hazırlayanların sorumluluğundadır ve hiçbir şekilde AB’nin
görüşlerini yansıtmamaktadır.
2
Bölüm 1 : PV Modülleri ve Bazı Temel İlkeler
Güneşler elektrik elde edilen sistemlerin en temel yapıtaşı güneş hücreleri veya
fotovoltaik hücrelerdir. (PV-Cells). Bunlar üzerine ışık düştüğü zaman doğru akım (DC)
üreten elemanlardır. Bu PV hücreler biraraya geldiği zaman güneş modüllerini (PV modül)
oluşturur. Burada güneş panelleri denmemesinin sebebi, güneş enerjisinden su ısıtan termal
panellerle karıştırılmasını önlemektir.
Fotovoltaik Hücre
-
Fotovoltaik Modül -
Fotovoltaik Tesis
En temel bir PV-hücresi silikon-kristalinden oluşan hücredir. Böyle bir hücre yaklaşık
olarak 0.5-0.6 arası doğru gerilim (DC) üretir. Bu PV hücrelerin seri bağlanmasından bir PVmodül oluşur.
Güneş ışığından elektrik elde edilen bir sistemde, PV hücresinin verimini, PVmodülünün verimini ve sistemin verimini birbirinden farklı olarak anlamak gerekir.
Piyasadaki PV-hücrelerinden alınabilecek en iyi verim genelde % 20 şeklindedir, yani
üzerlerine düşen ışık enerjisinin %20’sini elektrik enerjisine çevirir. Bir PV-modülünün
verimi bu rakamdan biraz daha azdır.
1)
2)
3)
4)
Sistemin verimini etkileyen etkenler faktörler şöyle düşünülebilir:
Panellerin yerleştirildiği açı
Üzerlerine düşen ışık veya gölge miktarı
Sistemde kullanılan kablolar ve gerilim düşümleri
Sistemde kullanılan inverterler, vericiler, sigortalar gibi diğer malzemeler.
3
Fotovoltaik Tesisler:
Fotovoltaik tesisleri, kuruluş açısından ada sistemleri ve şebeke bağlantılı
sistemler olmak üzere ikiye aynlabilir.
Ada sistemlerinde, fotovoltaik enerji kazancı enerji ihtiyacına göre ayarlanır.
Fotovoltaik enerji üretirmi, yoğunlukla tüketicilerin o anki enerji ihtiyaçlarına eşit
olmadığından, genellikle aynca depolayıcılar (aküler) kullanılır. FV tesis, örneğin bir
rüzgar ya da dizel jeneratörü gibi başka bir elektrik kaynağıyla destekleniyorsa, bu tesis
türüne fotovoltaik-hibrit tesisi denir.
Şebeke bağlantılı sistemlerde, elektrik şebekesi enerji depolayıcısı olarak görev
gorür. Dünya çapındaki FV tesislerin çoğu
ş ebeke baglantılı tesisler olarak
işletilmektedir. Bu tür tesislerde güneş enerjisinden elde edilen elektrik için ödenen daha
yüksek ücret nedeniyle üretilen enerji çoğunlukla genel elektrik şebekesine verilmektedir.
Almanya 'da 2050 yılına kadar enerji ihtiyacının üçte biri fotovoltaik kaynaklardan temin
edilebileceği tahmin edilmektedir
4
PV – Modül Teknolojisi
Günümüzde 100 üretici firma tarafından yaklaşık 800 değişik tipte PV modülleri
üretilmektedir. Ancak bu PV modülleri üç ana grupta toplayabiliriz.
Bunlar :
1. Kristal Yapılı PV hücreler
a.
b.
Monokristal (Tekli Kristal) yapılı hücreler
Polykristal (Çoklu Kristal) yapılı hücreler
2. Thin Film (İnce film) PV hücreler
3. Nano hücreler
Bu tiplerin birbirlerine göre üstünlükleri olabildiği gibi zayıf tarafları da vardır.
Mono ve poly kristal silikon hücreleri olan PV modüller piyasada en fazla kullanılan
modüllerdir (%93). Monokristal silikondan yapılan PV- modüllerin verimi polykristal
silikondan yapılan PV modüllerden %1.59 ile %2 arası daha iyidir. Ancak polykristaller biraz
daha ucuzdur.
İnce tabaka ( thin film) teknolojisi kullanılan hücrelerde verim diğerlerine göre daha
düşüktür. Ancak bunlar gölge ortamlarda ve yüksek sıcaklığı olan yerlerde daha fazla
dayanıklıdır. Ayrıca fiyatları daha ucuzdur.
5
Aşağıdaki tabloda değişik malzemlerden yapılan PV modüllerin verimi ve 1kWp enerji için
kaplayacakları alan özetlenmektedir.
Cell material
Module efficiency
Surface area need for 1 kW p
Monocrystalline silicon
Polycrystalline silicon (EFG)
Polycrystalline silicon
Thin film
copper-indium-diselenide
Amorphous silicon
Almanya’da Weihenstephan Yüksekokulu’nun çatısında farklı hücre teknolojilerini
barındıran FV Tesisi. Soldan-Sağa çoklu kristal, tekli kristal, CIS, Amorf CdTe. Her biri
yaklaşık 1kWp kapasitesindedir.
6
Aşağıdaki resimlerde ise bu PV-modüller görülebilir.
Monokristal PV modül
Polykristal PV modül
Bükülgen Amorphous PV modülü
Nano Dokulu Modüller
7
Güneş Hücrelerinin yapısı ve bazı elektriksel karakteristikleri
PV hücrelerinin çoğu elektronik sanayide kullanılan ve yarıiletken olan silikon (Si)
yapılmaktadır. Hammadde olarak guartz kumu ( SiO2 ) kullanılmaktadır. Önce kimyasal
olarak saf halde üretilen silikon daha sonra boron (B) ve fosfor (P) karıştırılarak P tipi ve N
tipi olmak üzere iki tür yarıiletken hale getirilir. P ve N tipi katmanlar aşağıdaki şekilde
görüldüğü gibi birleştirildikten sonra ızgara şeklindeki iletkenlerin (elektrodların) arasına
konur. Daha sonra ortaya çıkan hücre ışığın yansımasını önleyen bir tabaka ile kaplanır.
Negatif
elektrod
N tipi silikon
Birleşim yüzeyi
Pozitif
elektrod
P tipi silikon
a. Tepe Gücü (Peak Power – Wp)
Bir PV hücresinden alınacak güç üzerine düşen ışık enerjisi (solar radiation) ile doğru
orantılıdır yani ışık şiddeti arttıkça güç (birimi watt) de artar. Bir hücrenin veya modülün
üretebileceği maksimum güç tepe gücü (peak power) olarak anılır. Birimi Wp watt-peak’dir.
Her PVmodülün etiketinde veya kataloğunda Standard Test Şartlarında (STC-Standard
Test Conditions) ürettilen maksimum güç yazar. Bunun anlamı, yani Standard Test Şartları
(STC) 1000 W/m 2 güneş enerjisinin 25 0 C’lık sıcaklığın ve hava kütlesinin (Air Mass) 1,5
olduğu şartlardır. Sıcaklık ve Hava Kütlesi (Air Mass) değiştikçe üretilen güçte değişir.
Aşağıdaki şekilde bir PV modülünün Akım – Gerilim (I V) eğrisi görülmektedir.
Elde edilen güç (W) ve akım (A) güneşten gelen ışık şiddeti ( solar radiation) ile artar.
Ancak gerilim (V) değişikliği çok azdır.
8
Module current (A)
UMPP
voltage range
Module voltage (V)
b. Kısa Devre Akımı (Short circuit current Isc) ve
Açık Devre Gerilimi (Open circuit voltage Voc)
Bir PV modülün dikkate alınması gereken en önemli özellikleri ürettiği akım (A) ve
gerilim (V) değerleridir. Üretilen akım PV modülün üzerine düşen ışık şiddeti ve kapladığı
alan ile değişir, ancak PV modülün ürettiği gerilim ışık şiddeti ile pek değişiklik göstermez.
Bir PV modülü kısa devre edildiği zaman maksimum akımını üretir . Buna kısa devre
akımı (Isc) denir. PV modülü açık-devre bırakıldığında ise uçlarında ölçülen gerilim değerine
ise açık devre gerilimi (Voc) denir. Güneş ışınlarının sabit tutularak yapılan ölçümlerde elde
edilen akım değerinin çalışma gerilimi ile değiştiği gözlenir. Aşağıdaki şekilde Kristal bir
hücrenin I-V Akım Gerilim eğrisi görülmektedir Bu eğride MPP (maximum pover point)
noktasıda görülebilir. Bu nokta bir PV hücresindenden maksimum gücün alındığı noktadır ve
buradaki akım değeri Impp ve gerilim değeri ise Vmpp olarak adlandırılır. Ayni prensip bir
PV modülü için de geçerlidir.
9
Short circuit current
Cell
power
output
(W)
Cell
current
(A)
Open circuit
Cell voltage (V)
Not: MPP noktasında Vmpp – Voc’nin % 80 ni kadardır, Impp – Isc ‘nin %95 i kadardır.
c. Sıcaklığın PV Modüllerine Etkisi
Hücrenin artan sıcaklıkla düşüş gösterir. Mono ve Poly kristal silikon hücrelerde bu
düşüş ince tabaka (thin film) hücrelerine göre daha belirgindir. Bu nedenle kristal silikon
hücreli modüller soğuk tutulması için çaba harcanmalı, çok sıcak şartlarda ince tabaka –
amorphous silicon hücreler tercih edilmeli.
Aşağıda sıcaklığın kristal silikon hücreli PV modüllerin I-V Akım Gerilim eğrisine
olan etkisi görülmektedir. Her 1 0 C’lık sıcaklık artışı, elde edilen gücü % 0.5 oranında
azaltmaktadır.
Amorphous silicon hücrelerde ise 1 0 C’lık artış, gücü %0.2 oranında azaltmaktadır.
Bir PV modülün etiketinde veya teknik özellikler kataloğunda bu değerler
yazılmalıdır.
10
Module current (A)
UMPP voltage range
Module voltage (V)
Sıcaklığın I-V Akım Gerilim eğrisine yaptığı değişim.
Hangi PV modüller seçilmeli
Bir PV modülü seçilirken nelere dikkat edilmesini ve sorulması gereken soruları
kısaca şöyle özetleyebiliriz.
 Ürünün uluslararısı bir sertifikası var mı?
 İmalatçı ve sağlayıcı firmanın piyasadaki konumu nedir? Örneğin ne kadar zamandır
bu işi yapıyor? PV modüllerin temini kolayca sağlanıyormu? Verilen garantilerin
süresi nedir?
 Kullanılacak PV modüller kuracağımız sistem için uygun mu? Örneğin şebeke
destekli bir sistem mi ? yoksa akü gruplarının kullanıldığı şebekeden bağımsız bir
sistem mi kurulacak?
 Ürünün teknik özellikleri yeterince verildi mi?
11
Burada cevaplanması gereken en önemli sorulardan biri de teknik özellikler sorusudur.
Avrupa Standardları EN 50380, bir PV modülünün Teknik Özellikler sayfasında (Data sheet)
neler olması gerektiğini anlatır. Bir güneş enerjisinden elektrik üreten sistem kurulmadan
önce bu bilgilerin anlaşılması ve sistem bu bilgiler doğrultusunda tasarlanmalıdır. EN 50380
aşağıdaki değerlerin verilmesini gerekli sayar:
WpPeak watt (peak güç ve toleransı)
Vmpp- maximum power point (maksimum güç noktasındaki) gerilimi
I mpp- maximum power point (maksimum güç noktasındaki) akım
Voc- açık devre gerilimi
I sc- kısa devre akımı
Tsıcaklık katsayıları (güç akım ve gerilim değişimleri için)
Aşağıda bazı önemli PV modül üreticilerinin listesi verilmiştir:










BP Solar, www.bpsolar.com
Evergreen Solar, www.evergreensolar.com/
GE Solar, www.gepower.com/prod_serv/products/solar/en/index.htm
Kyocera Solar, www.kyocerasolar.com
Matrix/Photowatt Solar Technologies, www.matrixsolar.com
Mitsubishi Electric,www.global.mitsubishielectric.com/bu/solar/index.html
Photowatt, www.photowatt.com
Sharp Solar Systems, www.sharp-world.com/solar/
Shell Solar, http: // www.shell.com/home/Framework?siteld=shellsolar
Uni-Solar, www.uni-solar.com
12
Aşağıda örnek bir Teknik Özellik veri, sayfası görülmektedir:
13
Bölüm 2: Şebeke Destekli Sistemler
Bu sistem şehir şebekesi ile beraber kullanılan bir sistemdir. Şebekeden bağımsız
kurulan sistemlerden en belirgin farkı akü gruplarının kullanılmamasıdır. Ayrıca bu sistemde
kullanılan inverterler şebekeden bağımsız kullanılan inverterler ile ayni teknik özelliklere
sahip değildir. Bilindiği gibi inverterler DC gerilimi evdeki cihazlarımızda kullanılmak üzere
AC gerilime çeviren cihazlardır. Ancak şebeke destekli sistemde kullanılan inverterler bir
başka özelliği de şebeke ile senkronize çalışmasıdır. Bu inverterler evlerdeki dağıtım
tablolarımıza bağlanabileceği gibi şehir şebekesinin girişine de çift taraflı sayaçlar sayesinde
bağlanabilir.
Aşağıda Şebeke Destekli bir sistemi oluşturan temel öğeler görülmektedir.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
PV modüller
PV kablo bağlantı kutusu (water proof)
Şebeke destekli inverter (grid-tied inverter – synchronous inverter)
Çift taraflı sayaç (import – export meter)
Şebekeye bağlantı (connection to grid)
Yükler (load)
Burada kullanılan inverter terminolojisi normal şebekeden bağımsız çalışan
sistemlerde kullanılan inverterler ( veya inverter – charger) ile karıştırılmamalı çünkü
şebekeden bağımsız çalışan inverterlerin export yapma özelliği yoktur.
Aşağıda şebeke destekli inverterlerden birinin teknik özellik data sayfası
görülmektedir. Dikkat edilirse bu inverterlerin DC input girişleri 125V- 440V arası
değişmekte, PV paneller ise seri veya paralel şekilde bu teknik sayfaya bakılarak
bağlanmaktadır. Ayrıca bu inverterlerin trafosuz modelleri de vardır.
14
Seri Bağlantı
Paralel Bağlantı
İnverterlere ait bir teknik
sayfa örneği...
Şebeke destekli sistemlerin kurulması için iyi çalışan, ‘stabıl’ bir elektrik şebekesine
sahip olmak ve bazı yasal düzenlemelerin yapılması gerekir. Şebeke destekli sistemlerde
kullanılan inverterlerin ise şebekeye gerilimi bağlayabilmeleri için daha farklı elektronik
devreleri olması gerekir. Bu elektronik devreler şebekeden örnek alarak dc gerilimi ac
yapar ve şebekeye senkron bir şekilde verir. Böylece akü gruplarına gerek kalmadan
enerji fazlası diğer tüketiciler tarafından kullanıma sunulur. Bu şekilde teşvik edilen
sistemler Elektrik Kurumları’nın daha büyük yatırımlar yapmasını da önlemiş olur.
Avrupa Birliği’nde 2014 yılına kadar tüketilen enerjinin %10’luk bir kısmının
yenilenebilir enerji kaynaklarından yapılması hedeflenmektedir.
15
Bölüm 3: Şebekeden Bağımsız Sistemler
Bu sistem şebekeden uzak çiftlik,dağ kulübesi,su kuyusu motorları,verici
antenleri,tekneler….vs gibi yerlerin elektrik temininde kullanılır. Bunlara ada sistemleri de
denir.PV (fotovoltaik) panellerde üretilen elektrik enerjisi akülerde depolanır ve invertörler ile
AC’ye çevrilerek kullanılır.Ayrıca üretilen gerilim direk DC olarakta kullanılabilir.Bu
sistemlerde kullanılan elemanların bazı özellikleri aşağıda verilmiştir.
PV modüller
Inverter
Şarj Kontrol
Akü
a. Şarj Kontrol Ünitesi
Güneş panellerinde üretilen enerji DC olduğundan doğrudan kullanılamaz.Akülerde
depolanır ve invertörler ile AC’ye dönüştürülerek kullanılır.Üretlen gerilim akülere şarj
kontrol ünitesi vasıtası ile doldurulur.Şarj kontrol ünitesinin ana görevi akülerin aşırı
dolmasını (over charge) ve aşırı boşalmasını (over discharge) önlemektir.
16
Şarj Kontrol Ünitelerinin ana görevi olan aşırı şarj ve aşırı deşarja karşı koruma dışında başka
görevleride vardır. Bunları şu şekilde sıralayabiliriz:





Değişik akü çeşitlerine göre ayarlanabilir şarj edebilme yeteneği örneğin hem kurşun
asit hem de kuru veya sealed/gel aküleri şarj edebilme
Aşırı yük ve kısa devreye karşı koruma
Akülerin ısınmasına karşı koruma
PV panellere düşebilecek yıldırıma karşı koruma
Değişik göstergeler örneğin PV’lerden gelen şarj akımı, yüke giden akım, vs...
Ancak her şarj kontrol ünitesi bu görevleri yerine getirmeyebilir. Bu nedenle şarj kontrol
ünitelerinin seçimi yapılırken teknik özellikleri iyice anlaşılmalı ve amaca hizmet edecek şarj
kontrol üniteleri seçilmelidir.
Aşağıda bazı Şarj Kontrol Ünitesi ve DC aydınlatma armatürü üreticilerinin adresleri
verilmiştir:



Morningstar, www.morningstarcorp.com
Sollatek, www.sollatek.com
Steca, www.stecasolar.com
b. Akü grubu
PV mödüllerinde üretilen elektrik enerjisi her zaman bizim ihtiyaç duyduğumuz
zamanlarla uyuşmayabilir. Geceleri ve güneşin olmadığı zamanlarda elektrik ihtiyacı güneşin
olduğu zamanlarda doldurulan akü gruplarından karşılanır.
Burada kullanılan aküler deep-cycle özellikli sabit tesis aküsü olmalı yani birçok kez
dolup boşalmaya dayanıklı olmalıdır.Ancak bu aküler genelde kurşun-asit aküler olduğundan
bu türlerin yaşam alanı içine konmaması gerekir Çünkü zehirli olabilecek gazlar
çıkartmaktadır.Aküler eğer iç mekanlara konulacaksa insan sağlığı açısından kuru akü
seçilmesi gerekir.
Bazı akü üreticileri:
 Concorde Battery Corporation,
www.concordebattery.com
 Exide, www.exideworld.com
 Hawker Batteries,
www.hawkerpowersource.com
 Hoppecke, www.hoppecke.com
 MK Battery,
www.mkbattery.com
 Moll, www.moll-batterien.de
 Varta, www.varta.com
17
c. İnverter :
PV modüller ve aküler doğru akım (DC) üretmekte olduğunu biliyoruz. Ancak
kullandığımız çoğu elektrikli cihaz alternatif akımla (AC) çalışmaktadır. Genel anlamda DC
akımı AC akıma çeviren cihazlara inverter denir. Burada şebeke destekli sistemlerde
kullanılan inverterler ile şebekeden bağımsız sistemlerde kullanılan inverterler farklılıklar
gösterir. Şebekeden bağımsız sistemlerde kullanılan inverterler ada tipi (island veya battery
based) inverter olarak adlandırılır.
Aşağıda şebekeden bağımsız sistemlerde kullanılan inverterlerde aranan özellikleri
verilmektedir:







Tam sinüs eğrisi vermeli (bu özellik endüktif yüklerin olduğu bir sistemde çok
önemli)
Sabit AC gerilim ve frekans cıkışı olmalı
DC giriş gerilimi aralığı akülerin boş ve doluluk durumuna göre uygun aralıkta olmalı
Yüklerin çalıştırılmasında meydana gelecek yüksek kalkış akımlarından etkilenmemeli
(surge capacity)
Maksimum yükte yüksek verimde çalışmalı
Elektromanyetik parazitlerden etkilenmemeli
Stand-By modunda fazla güç harcamamalı
Bağımsız bir sistemde birden fazla inverter kullanılabilir ancak seçilecek inverterler
birbirleriyle paralel ve senkronize bir şekilde çalışması için master-slave setup özellikli
olmalıdır. Buradaki amaç büyük sistemlerde güç güvenliğinin sağlanması, bir inverteri
maksimum kapasitede çalıştırmasını önleyerek sistemin veriminin artırılmasıdır. Master
inverter genelde tüm yüklerin ihtiyacını karşılamaya çalışırken, Slave inverter ihtiyaç
duyulduğu zaman devreye girer.
Aşağıda bazı Şarj Kontrol Ünitesi ve DC aydınlatma armatürü üreticilerinin adresleri
verilmiştir:
18









Beacon Power, www.beaconpower.com
Fronius Solar Electronics,http:// www.fronius.com/solar.electronics/about/index.htm
Mastervolt, www.mastervolt.com
Outback Power Systems, www.outbackpower.com
PV Powered, www.pvpowered.com
Sharp Electronics, http://www.sharp-world.com/solar/
SMA , www.sma.de/en.html
Studer, www.studer-inno.com
Xantrex Technology, www.xantrex.com
19
Bölüm 4 : Şebekeden Bağımsız bir sistemin Tasarımı
Aşağıdaki formül şebekeden bağımsız kurulacak bir sistemin gücünün (watt peak)
dolayısıyle (PV modul miktarının) hesaplanmasında kullanılır.
W pv
= E/G/
sys
Burada
W pv - kullanılacak PV modüllerin peak gücü (Wp)
E – beslenecek yerin günlük enerji ihtiyacı (Wh – watt saat)
G – PV modüllerin avaraj peak güneş ışınlarını alacağı zaman ( saat )
Burada avaraj peak denmesinin sebebi güneş ışınlarının mevsimlere ve tesisin dünya
üzerinde bulunduğu yere göre değişiklik göstermesidir.
 sys - kurulacak sistemin verimi. Bu değer genelde 0,6 (%60) olarak alınabilir.
% 100 bir verimden bahsetmek mümkün değildir çünkü bu değeri etkileyen pek çok
etken vardır ve sistemimizi kurarken kullandığımız malzeme ve elemanlardan dolayı
kayıpların olması kaçınılmazdır. 0,6 (yani%60) verimi olan bir PV sistemi hiç te
küçümsenmemesi gereken bir rakamdır.  sys şu şekilde hesaplanır:
 sys =  pv . pvbat .  cc . bat .  kablo . inv
 pv - PV modüllerin her zaman MPP (maksimum peak noktasında) işlemesi mümkün
olmamaktadır ve % 20 lik kayıpların olması kaçınılmaz olabilir. Dolayısıyla 0,8 lik bir değer
hesaba katılmalıdır.
 pvbat - PV modüller ve aküler (bataryalar) arasında kullanılan kablolarda %2 ‘lik
kayıblardan bahsedersek bu değer 0,98 olur.
 cc
- kaliteli bir şarj regulatörünün (charge regulator) verimi 0,98 alınabilir.
 bat - akülerin Ah (amper saat) verimi % 10’luk kayıplardan sonra 0,9 alınabilir.
 kablo - aküler ile yük (veya beslenecek dağıtım tablosu) arasındaki kabloların kayıplarını %2
alırsak, 0,98 lik bir değer hesaba katılmalıdır.
 inv
- kaliteli bir inverterin verimi 0,9 alınabilir
Böylece
 sys = 0,8 x 0,98 x 0,98 x 0,9 x 0,98 x0,9 = 0,6 olarak hesaplanır.
20
Dolayısıyle kaliteli şarj regulatörü, inverter ve aküler ayrıca doğru bir şekilde yapılan kablo
kesit hesapları sistemimize etki eden faktörler olarak düşünülmelidir.
Burada kaç adet akü kullanılacağı diğer hesaplanması gereken bir durumdur. Bu ise
şu formülle hesaplanır:
Q = (E x A) / (V x T x  inv x  kablo )
Q - amper saat olarak kullanılacak minimum akü kapasitesi (Ah)
E - beslenecek yerin günlük enerji ihtiyacı (Wh – watt saat)
A – enerjinin depolanması istenen gün miktarı
V – sistemde kullanılacak DC gerilim (volt)
T – akülerin müsade edilen boşalma sınırı 0,3 – 0,9 arası (depth of discharge – DOD)
 inv - inverterin verimi
 kablo - aküler ile yük arasında kabloların verimi
Burada T değerinden bahsetmek gerekirse şunları söyleyebiliriz. Kullanılan akü tipine
göre akülerde müsade edilen ve daha aşağıya düşmesini istemediğimiz bir discharge sınırı
(depth of discharge DOD) değeri vardır. Hiçbir Kurşun – Asit akünün tam boşalmasına
müsade edilmemelidir. Bu değer genelde 0,3 – 0,9 arası değişen bir rakamdır ve seçilen akü
türünün kataloğuna bakılarak bulunmalıdır.
A değerinin ise enerjinin depolanması gereken gün miktarı veya depolama yapmadan
güneşsiz geçecek gün miktarı olduğunu söyleyebiliriz. Bu değer 3 gün (ülkemiz için geçerli )
ile 20 gün (ör. Kuzey Amerika) arası değişen bir değerdir.
‘Basit’ bir Şebekeden Bağımsız Sistemin yapılması için gereken adımları aşağıdaki
örnekle sıralayalım:
ÖRNEK: Kıbrıs’ın Karpaz bölgesinde bir tatil evi Nisan ve Ekim ayları boyunca haftada 7
gün, geriye kalan aylarda ise sadece hafta sonları kullanılmak üzere güneş enerjisinden
beslenmek isteniyor.Bu evde kullanılan elektrik yükleri; birkaç lamba, bir televizyon , az
enerji sarfeden bir buzluk, mutfakta kısa süreli kullanılacak birkaç cihaz, mikser ve
mikrodalga vb gibi olarak özetlersek nasıl bir sistem tasarlamalıyız?
Adım 1: Evin konumu ve güneş enerjisinin durumunun araştırılması
Burada araştırmamız gereken bilgiler evin konumu itibarı ile peak güneş ışınlarını
alacağı zaman (saat) ve PV modüllerimizi sabitleyeceğimiz açı değeridir. Bu değerleri bulmak
için bilgisayar programlarından yararlanabileceğimiz gibi aşağıdaki grafik gibi grafiklerden
de yararlanabiliriz.
21
Aşağıdaki grafikte dünyanın değişik enlemlerinde (latitude-sağ taraf) - PV panellerin
açısının (PV module angle-sol taraf) değişik aylara göre ne olması gerektiği verilmiştir.
Karpaz’daki evimiz dünya üzerinde konum itibarı ile 35 0 N enleminde olduğundan bu
grafikte alttan üçüncü çizgiye bakmamız gerekiyor. Bu çizgiye göre PV modüllerinin açısı
(tam güneye bakmak şartı ile) tüm sene boyunca aylara göre 10 0 ile 55 0 arasında
değişiyor. İyi bir verim için Nisan ve Ekim aylarında 10 0 ile 25 0 arası, diğer aylarda 25 0 ile
55 0 arası olması gerekiyor. Ancak burada kurulumun basit tutulması açısından ve ülkemizde
su ısıtan panellerinde konulduğu açı olan 45 0 açı kullanmak önerilebilir. Ancak aşağıdaki
resimde görüldüğü gibi Sedat Simavi Endüstri ve Meslek Lisesi çatısına yerleştirilen paneller
gibi bu açı 35 0 ile 45 0 arası değişecek şekilde tam güneye sabitlenerek yapılabilir.
22
Sistemi oluştururken dikkat edilecek diğer bir husus da güneş panellerimizin ne kadar
süreyle peak güneş enerjisi alacağıdır. Aşağıdaki veriler bizim ülkemizde bir gün boyunca
olan güneşlenme süresinin (saat) aylara göre dağılımını göstermektedir. Burada önemli olan
panellerimizin alacağı peak güneş saatidir ki bunu da 5 saat olarak alırsak hata yapmış
sayılmayız.
Ayrıca panellerin kurulacağı yer ile yüklerimiz (veya Dağıtım Tablosu) arasındaki
mesafe hakkında da bilgi sahibi olmamızında önemi vardır çünkü paneller ile dağıtım
tablomuz arasında 30 m’lik bir mesafe söz konusu ise sistemin voltajı (inverter ve akülerin
gerilimi ) 24 V olarak alınabilir.Bu güç kayıblarımızı (kablo vs...) azaltmak veya kablo
kesitini azaltma açısından önemli bir nokta olabilir.
Bu aşamada ayrıca hesaplanan PV panel miktarının eve (çatısına veya bahçesine)
yerleştirilmesinin mümkün olup olmadığıda araştırılmalıdır. Örneğin tam güneye bakan ve
gün boyu gölgelenmeyen bir alanın olup olmadığı gibi....
Güneş enerjisinin potensiyeli hesaplanırken bu çeşit basit grafiklerden yararlanmak
küçük sistemler için yeterli olabilir. 200Wp PV panelleri kullanılacak bir sistemde bu
yöntemlerle yapılan hesaplamalar %10 olarak yanlışta olsa pek önemli sayılmayabilir ancak
rakamlar büyüdükçe örneğin 4000Wp ‘lik bir sistem tasarlanırken daha kapsamlı verilerden
yararlanılmalı ve daha dikkatli düşünülmelidir. Bu verileri elde etmek için National
Renewable Energy Laboratory web sitesi (www.nrel.gov) ve (www.solarpathfinder.com) gibi
sitelerden faydalanılabilir.
23
Adım 2: Evde kullanılacak elektrikli cihazların araştırılması
Sistemi kullanacak kişiye surularak aşağıdaki gibi bir tablo doldurmak günlük enerji
ihtiyacımızı (E – watt saat) bulmamız açısından önemlidir. Bizim örneğimizde bu tüketim
tablosu aşağıdaki gibidir.
Evdeki
Elektrikli
Cihazlar
Cihazların
harcadıkları
güç (W)
Cihazların
miktarı
(adet)
Toplam
harcanan
güç (W)
Cihazların
bir günde
kullanıldıkları
süre (saat)
Günlük enerji
ihtiyacı (Whwaat saat)
20W
3
60
3
180 Wh
40W
1
40
1,5
60 Wh
60W
1
60
2
120 Wh
700W
1
700
0,2
140 Wh
400 W
1
400
0,1
40 Wh
80W
1
80
400Wh
katalog değeri
1340W
940 Wh
Enerji tasarruflu
PL lambalar
Mutfaktaki
Floresant Lamba
Televizyon
Mikrodalga fırın
Mutfak mikseri
Enerji tasarruflu
Buzdolabı
TOPLAM
Adım 3: PV panelleri ve akülerin hesaplanması
PV panellerinin hesabı:
W pv
= E/G/
sys
E = 940 Wh (günlük enerji ihtiyacı)
G = 5 saat (peak güneş ışınlarının süresi)
 sys = 0,6 (tüm sistemin verimi)
Dolayısıyle W pv = 940 /5/ 0,6 = 313,3Wp
Bu ihtiyaç duyduğumuz minimum PV modullerinin toplam gücüdür.
24
Akülerin hesabı:
Q = (E x A) / (V x T x  inv x  kablo )
E = 940 Wh (günlük enerji ihtiyacı)
A = 4 gün (enerjinin depolanması istenen gün miktarı)
V = 24V (kurulacak sistemin DC gerilimi)
T = 0,5 (akülerin müsade edilen boşalma sınırı-DOD sınırı )
 inv = 0,9 (inverterin verimi)
 kablo = 0,97 (aküler ile yük arasında kabloların verimi)
Dolayısıyle Q = (4 x 940) / (24 x 0,5 x 0,9 x 0,97) = 358 Ah
Adım 4: Malzemelerin Seçimi
Burada seçilecek PV modülleri için PV modüllerinin katalog bilgilerine başvurulması gerekir.
313 Wp elde etmek için 4 adet 80 Wp “kristal” modül seçilebilir. Bu modüllerin nominal
gerilimleri genelde 12 V, Voc gerilimleri ise 21 V ‘tur. Dolayısıyle iki çift seri bağlı modülün
paralel bağlanmsı gerekecektir. Bu PV modullerin fiziksel büyüklükleri genelde 8kg, 1.2m x
0.5m’dir. Dolayısıyle monte edilecekleri yerin durumu bu doğrultuda düşünülmelidir.
Seçilecek charge controler (şarj regulatörü) ise seçilen PV modul kataloğuna bakılarak
üretilecek Impp=4.5A akım değeri göz önüne alınarak seçilir. Modüller seri bağlanınca
alınacak akım 4.5 A’dır. Ancak 2 çift seri modul, paralel bağlanınca maksimum akım 9 A
çıkar. Sistemin kapasitesinin artırılması olasılığı da göz önüne alınarak 20 A’lık bir şarj
regulatörü seçilebilir.
Buradaki hesaplamalarımızda (bkz. Tüketim Tablosu) bir anda kullanılacak güç toplamı
1340W olacağından inventerlerimiz buna göre seçilmelidir. Dolayısıyle 2000 W’lık ve giriş
gerilimi 24 V olan bir inverter seçilebilir. Ancak burada yükün artırılabilme olasılığı da göz
önünde tutulmalı, ayrıca motorlar gibi (endüktif yük) ilk çalışma anında fazla akım çekme
olasılığı olan yükler hesaba katılarak daha güçlü bir inventer tercihi de yapılmalıdır.
358 Ah olarak hesaplanan aküler için ise yine akü üreticilerinin kataloglarına bakarak bu
değerin üzerinde en yakın bir değer olan 24 V - 400 Ah kapasiteyi verecek deep cycle
özellikli aküler seçilmelidir. Bu aküler 24 V elde etmek için seri bağlanmış 2 adet 12V
akülerden oluşabilir.
25
Özet olarak sistemimizin ihtiyaç listesi ve bağlantı şekli aşağıda verilmiştir.
Liste: 4 adet
1 adet
2 adet
1 adet
80 Wp nominal gerilimi 12 V olan PV modülleri
20 A ‘lık şarj regulatörü
deep cycle özellikli 12 V - 400 Ah Akü
2500 W continuos power ratingli ve tam sinus eğrisi veren 24 V
input’u olan inverter
Bağlantı Şekli:
Yararlanılan Kaynak:
Falk Antony, Christian Dürschner, Karl-Heinz Remmers, Photovoltaics for Professionals,
Solarpraxis AG-Berlin-2006
26
Fotovoltaik
Deneyleri
Not: Bu deneyler Almanya’nın Oberhausen kentinde olan Hans-Sachs Berufskolleg
Teknik Okulu’nda okutulan deneylerden tercüme edilmiştir.
27
28
1. Deney: Işık Şiddetini Ölçme
DENEYİN AMACI : Işık şiddetini ölçmeyi öğrenmek ve Lüxmetre’yi
kullanmayı öğrenmek.
DENEYİN YAPILIŞI : Değişik ışık kaynaklarının aydınlatma gücü birbirinden
farklıdır. Örneğin Güneşin ışık etkisi ile ampul veya projektörün ışık etkisi
birbirinden farklıdır. Bunu anlamak için bir ışık sensörü ile sırası ile
a) Güneşli havada
b) Bulutlu havada
c) Bir ampul altında
d) Bir projektör karşısında
Işık şiddetlerini ölçelim ve aşağıdaki tabloya kaydedelim.hangisinde ışık şiddeti
en fazla hangisinde en az gözlemleyelim.
29
Akım şiddeti ( uA)
Işık şiddeti (lx)
Güneşli hava
Bulutlu hava
Ampul
Projektör
SONUÇ: Deney ve sonucu hakkında kendi yorumunuzu yazınız.
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
30
2. Deney: Işık şiddetinin uzaklık ( mesafe ) ile değişimi.
DENEYİN AMACI : ışık şiddetinin mesafe ile nasıl değiştiğini anlamak.
DENEYİN YAPILIŞI : Projektörünüzü ışık sensörünün karşısına değişik
mesafelerde yerleştiriniz.Ve her defasında lüxmetreyi kontrol ederek oluşan
akım şiddetini ve ışık şiddetini okuyarak aşağıdaki tabloya kaydediniz. Bu
değerlerin grafiğini çiziniz.
Uzaklık (cm)
20
25
30
35
Akım şiddeti(uA)
Işık şiddeti (lx)
31
40
45
50
Beleuchtungsstärke in lx
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
20
25
30
35
40
45
50
Entfernung von der Lichtquelle in cm
DENEYİN SONUCU: Deney ve sonucu hakkında kendi yorumlarınızı yazınız.
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
32
3. Deney: Güneş pilinin ürettiği akım ve gerilimin , ışık şiddeti ile
değişimi.
DENEYİN AMACI: Güneş pilinin ürettiği akım ve gerilimin ışık kaynağına olan
uzaklıkla nasıl değiştiğini anlamak.
DENEYİN YAPILIŞI: Biliyoruz ki güneş pilleri, üzerine düşen ışığın miktarına
bağlı olarak akım ve gerilim üretirler.Deneyde, küçük güneş panelciğinin
ürettiği gerilim ve akımın, ışık kaynağına olan uzaklığa bağlı olarak nasıl
değiştiğini gözlemleyeceğiz. Panelin karşısına yerleştirdiğimiz projetörün yerini
değiştirerek her seferinde panelin ürettiği gerilim ve akımın değerlerini ölçerek
aşağıdaki tabloya kaydediniz.
Uzaklık (cm)
20 cm
35 cm
50 cm
Üretilen Gerilim (mV)
33
Akım (mA)
DENEYİN SONUCU: Deney ve sonucu hakkında kedi yorumlarınızı yazınız.
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
34
4. Deney: Değişik gölgeli ışık altında güneş panelinin ürettiği
gerilim ve akımın değişimi.
DENEYİN AMACI: Bulutlu havalarda güneş panellerinin verimi hakkında bilgi
edinmek.
DENEYİN YAPILIŞI: Bulutlu havalarda güneş panellerinin veriminin düştüğü
düşünülür. Bunu anlamak için güneş panelciğine belli bir mesafede
yarleştirdiğimiz projektörü , farklı ölçülerde kestiğimiz siyah kartonla kapatarak
üretilen gerilim ve akım değerlerini ölçünüz.aşağıdaki tabloya kaydediniz.
35
Beleuchtete
Değişik
Fläche der
Gölge
Solarzelle
Miktarları
Gerilim
Leerlauf(mV) in mV
spannung
Akım
Kurzschlußstrom
(mA)
in mA
Abdeckung
1
Abdeckung
2
Abdeckung
1
Abdeckung 2
DENEYİN SONUCU: Deney ve sonucu hakkında kendi yorumunuzu yazınız.
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
36
5. Deney: Güneş pilinin üretiminin, gelen ışığın açısına göre
değişimi.
DENEYİN AMACI: Gün içinde güneş paneline ,güneş ışığının gelme açısı
değişiklik gösterir.Bu açı değişiminin enerji üretimine etkisini incelemek.
DENEYİN YAPILIŞI:Güneş panellerinin verimi güneş ışığının gelme açısına
göre değişmektedir. Gün içinde bu verim değişiminin nasıl olduğunu anlamak
için güneş panelini projektörün karşısına değişik açılarda yerleştirelim ve her
seferinde üretilen akım ve gerilim üretimini okuyarak tabloya kaydedelim.
Panelin
yerleşme
açısı
Üretilen
gerilim(mV)
Üretilen
akım(mA)
00
150
300
450
37
600
750
900
120
600
100
500
80
400
60
300
40
200
20
100
0
Leerlaufspannung in mV
Kurzschlußstrom in mA
Elde edilen değerleri aşağıdaki grafik kağıdına geçirerek Açı-Akım ve Açı-Gerilim
değişim grafiklerini çiziniz.
0
0
15
30
45
60
75
90
Beleuchtungswinkel in Grad
DENEYİN SONUCU: Deney ve sonucu hakkında kendi yorumunuzu yazınız.
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
38
6. Deney: Güneş panellerinin seri ve paralel bağlanması
DENEYİN AMACI: Güneş panellerinin seri ve paralel bağlanması, üretilen gerilim ve
akımı nasıl değiştireceğini görmek.
DENEYİN YAPILIŞI: 2 adet güneş panelciğini önce seri sonra paralel bağlayarak
projektörden belli bir uzaklığa yerleştiriniz.Projektörü yakarak üretilen gerilim ve
akımı ölçünüz.ölçümlerinizi aşağıda verilen tabloya kaydediniz.Seri ve paralel
bağlantıda nelerin değişeceğini gözlemleyiniz.
Seri Bağlama
Paralel Bağlama
Üretilen gerilim (mV)
Üretilen akım (mA)
DENEYİN SONUCU: Deney ve sonuç hakkında kendi yorumunuzu yazınız.
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
................................................................................................................................
39